ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МУЛЬТИПЛЕКСИРОВАНИЯ С ОРТОГОНАЛЬНЫМ ЧАСТОТНЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ В МОБИЛЬНЫХ СРЕДСТВАХ СВЯЗИ

Аннотация. В статье рассмотрен вопрос о возможности применения метода мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (далее метода OFDM модуляции) в системах мобильной связи, описываются различные преимущества использования данной технологии в различных условиях. Произведен анализ методов модернизации алгоритмов при формировании потомка OFDM исходя из направления при передаче сигнала.

Ключевые слова: модуляция, пик-фактор, символ данных, период символа, частотная поднесущая.

Введение

Рассматриваемый в статье метод, использующийся для передачи цифровых данных с помощью OFDM модуляции был разработан еще в середине 1960-х годов. В настоящее время данная технология повсеместно используется в различных беспроводных системах. К ним относятся: стандарты семейства 802.11, DAB (цифровое радиовещание) и DVB (цифровое телевещание).

До недавнего времени было невозможно использовать OFDM технологию в мобильных средствах связи, и тому было несколько причин. Во первых, в миниатюрных мобильных аппаратах попросту не хватало мощности для достаточно быстрого выполнения операции преобразования Фурье, которое является трудоемким процессом, ложащимся на плечи вычислительной техники в OFDM системах. Во-вторых – высокий пик-фактор (PAR), что само по себе неизбежно при параллельной передаче сотен информационных символов, близко расположенных друг к другу.

Отметим, что высокий пик-фактор является камнем преткновения для мобильных устройств при проектировании усилителя мощности. К счастью, несмотря на все это, на сегодняшний день технический прогресс достиг того уровня, когда возможно минимизировать все негативные моменты при использовании OFDM модуляции в мобильных системах связи.

Рассмотрим классическую передачу данных, а точнее ее принципы при использовании OFDM модуляции, а заодно попытаемся выделить рекомендации для усовершенствования этого метода формирования цифрового потока, чтобы адаптировать его к работе в мобильных системах связи.

Суть метода OFDM модуляции заключается в способе передачи данных. Данные передаются в расширенном спектре, используя большое количество частотных полос, которые близко расположены друг к другу. Далее, обычно, полезный сигнал кодируется, перед непосредственной передачей, что позволяет сделать возможным его дальнейшее восстановление при приеме.

Принцип организации OFDM канала, состоит из этапов расщепления канала, ввода поднесущих частот, ввода защитного интервала и синхронизации каналов. Рассмотрим каждый этап более подробно.

Расщепление канала

К сожалению, характеристики канала передачи данных не сохраняют постоянство во времени, однако их можно считать постоянными в течении короткого промежутка для наземного канала. Используя данную особенность в системе OFDM модуляции, есть возможность расщепить наземный канал передачи во времени и по частоте (Рисунок 1). Вследствие чего радиочастотный канал организуется в виде набора узких частотных полос и смежных «временных сегментов».

Рисунок 1. Расщепление канала

Ввод поднесущих частот

У каждой частотно-временной ячейки имеется собственная поднесущая (Рисунок 2).

Рисунок 2. Ввод поднесущих частот

В определенном временном сегменте, набор поднесущих является символом OFDM. Промежуток между символами равен обратной величине длительности символа. Поднесущие частоты при этом называются ортогональными.

Ввод защитного интервала

Защитный интервал вводится между двумя соседними символами OFDM для устранения эффекта «загрязнения» (Рис. 3). Данный эффект возникает вследствие того, что эхо-сигналы по сути своей являются копиями основного сигнала, которые задержаны во времени. И, по сути, начало символа OFDM подвержено эффекту «загрязнения» задержанным во времени окончанием предыдущего символа.

Рисунок 3. Ввод защитного интервала

Синхронизация каналов. Для надлежащего осуществления демодуляции сигнала, необходимо произвести выборку данного сигнала приемным устройством, в течении полезного периода символа OFDM. В ряде систем применяются «пилотные» поднесущие частоты, которые распределены по каналу в виде маркеров синхронизации (Рисунок 4).

Рисунок 4. Ввод маркеров синхронизации

Все описанные выше особенности являются основными параметрами OFDM модуляции. Однако, к сожалению, все они предполагают под собой потерю полезной информации канала и как следствие снижение его пропускной способности. Вместе с этим, они так же позволяют снизить степень ухудшения различных параметров сигнала из-за условий прохождения радиоволн. Достигается это благодаря компромиссу между пропускной способностью канала и его устойчивостью.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов в мобильных системах связи.

Различные идеи по внедрению и адаптации OFDM модуляции к системам мобильной связи высказывались еще в начале эры цифровой передачи, так как ее преимущества были очевидны в сравнении с другими технологиями. Попытки минимизировать недостатки OFDM модуляции, которые, по сути, были неприемлемы для мобильной электроники, производились с использованием виртуальных моделей, в среде математических приложений (MATLAB Simulink). Измеряя характеристики модели, делались различные выводы по минимизации негативных факторов, при мобильном приеме. Самые удачные версии улучшенных систем OFDM модуляции были апробированы в практическом применении.

За счет тщательной доработки и применения версии OFDM, которая получила название OFDMA (система множественного доступа с ортогональным разделением частот) был достигнут, собственно, множественный доступ от базовой станции до абонента. Суть данного метода является в закреплении отдельных поднесущих частот за разными пользователями. Что в свою очередь облегчает обслуживание многих абонентов, которые работают с низкими скоростями. Кроме того, использование данного метода позволяет использовать частотные скачки что бы смягчить негативные эффекты узкополосного многолучевого распространения.

Так же предлагается применить новую схему передачи данных от абонента до базовой станции с одной поднесущей. Она получила название Single Carrier FDMA, или же SC-FDMA. FDMA с одной поднесущей частотой является гибридной схемой передачи, сочетающей в себе низкие значения пик-фактора, которые присущи различным системам с одной поднесущей частотой (например GSM или CDMA), вместе с большой длительностью символа OFDM и гибким распределением частот [1, 2].

Рисунок 5. Принципы генерации сигнала SC-FDMA

Рассмотрим Рисунок 5. В его левой части представлены символы данных во временной области. С помощью быстрого преобразования Фурье символы преобразуются в частотную область и далее распределяются в нужные места общего спектра несущей частоты. Далее их снова необходимо преобразовать во временную область для возможности добавления к ним циклического префикса перед передачей. Так же технологию SC-FDMA называют еще распределенной OFDM с дискретным преобразованием Фурье, или же просто DFT-SOFDM.

На рисунке 6 представлено альтернативное описание данной технологии.

Рисунок 6. Сравнение передачи серии символов данных QPSK в OFDM и SC-FDMA

На данном примере показана передача последовательности из восьми символов QPSK, в частной и временной областях систем OFDMA и SC-FDMA. Число поднесущих частот (М) в данном упрощенном примере сокращено до четырех. В системе OFDMA четыре символа (М) обрабатываются параллельно, и важно, что каждый символ модулируется собственной поднесущей частотой, которой соответствует своя фаза QPSK. Каждый отдельный символ данных занимает полосу 15 кГц на 66,7 мкс (время передачи каждого символа OFDMA). В начале каждого следующего символа OFDMA встроен защитный интервал, который содержит циклический префикс (СР). Циклический префикс представляет собой копию конца символа, которая добавляется к началу символа. В итоге благодаря параллельной передаче, символы данных имеют те же характеристики длинны, как и символы OFDMA.

В системе SC-FDMA передача символов данных происходит последовательно. Так как в представленном примере используются четыре поднесущих частоты, то за каждый период символа SC-FDMA передаются, соответственно, четыре символа данных. Период символа SC-FDMA имеет длину 66,7 мкс, то есть как и символ OFDMA. Однако из-за использования последовательной передачи символы данных выходят короче и равны 66,7/4 мкс. Из-за повышения скорости следования символов, требуется более широкая полоса для их передачи. В связи с этим каждый символ занимает 60 кГц в спектре, вместо 15 кГц у более медленных символов, которые используются в системе OFDMA. Так же после передачи четырех символов данных встраивается циклический интервал [3].

Для продолжения сравнения систем OFDMA и SC-FDMA, на рисунке 7 графически показан процесс генерирования сигнала SC-FDMA.

Рисунок 7. Создание символа SC-FDMA во временной области

Для начала, во временной области, создается представление последовательности символа данных. В нашем примере с использованием четырех поднесущих частот необходимо соответственно четыре символа данных для генерации одного символа SC-FDMA. Во временной области создается один символ SC-FDMA, используя первые четыре выделенных цветом символа QPSK, с расчетом траектории, переходящей от одного символа QPSK к следующему. В нашем примере это делается со скоростью в четыре раза выше скорости символов SC-FDMA, и в итоге каждый символ SC-FDMA содержит четыре последовательных символа данных QPSK. В нашем примере не была рассмотрена фильтрация переходов между символами, чтобы не усложнять его, однако в любой реальной схеме она обязательно присутствует.

Следующим шагом за созданием IQ-представления одного символа SC-FDMA во временной области будет его преставление в частной области при помощи дискретного преобразования Фурье. DFT (частота дискретизации) подобрана таким образом, что бы форма одного символа SC-FDMA полностью представлялась четырьмя бинами DFT, во временной области, на расстоянии 15 кГц. В течении одного периода символа SC-FDMA, который равен 66,7 мкс, каждый бин частоты дискретизации представляет одну поднесущую частоту с постоянной амплитудой и фазой. Так же всегда однозначно соответствие между числом символов данных, которые передаются за один период символа SC-FDMA, и числу создаваемых бинов частоты дискретизации, которое так же, равно числу занимаемых поднесущих частот. Логичный вывод: что с ростом числа символов данных, которые передаются за один период SC-FDMA, изменяется в большую сторону и сигнал во временной области. В свою очередь это приводит к расширению полосы, и как результат, требует увеличенного числа бинов частоты дискретизации (DFT) для полного представления сигнала в частной области.

Список литературы:

1. Долговременное развитие радиотехнологии 3GPP. URL: www.3gpp.org/Highlights/LTE/LTE.htm (дата обращения: 10.06.2018).
2. Спецификации LTE серии 36. URL:www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36-series.htm (дата обращения: 10.06.2018).
3. Шалагинов А. Перспективы LTE //Технологии и средства связи. 2009. №6. C.36-38. ISSN 1562-7144